Выбор «термометр сопротивления или термопара» решают прежде всего рабочая температура и требуемая точность. Там, где температура не выходит за 600 °C, а важны точность и стабильность показаний за годы работы, ставят платиновый термометр сопротивления. Выше этой границы применяют термопару. Она же выручает при сильной вибрации и там, где нужен тонкий датчик с быстрым откликом.
Ниже разобрано, чем различаются принципы измерения, какой класс точности нужен у Pt100, как подключать датчик и в каких случаях нужны защитная гильза и нормирующий преобразователь.
Отличие термометра сопротивления от термопары — в физическом принципе. Термометр сопротивления измеряет сопротивление металлического чувствительного элемента, которое растет с температурой: у платинового Pt100 оно равно 100 Ом при 0 °C и увеличивается примерно на 0,385 Ом на каждый градус. Термопара сама вырабатывает термо-ЭДС на спае двух разнородных проводников, и этот сигнал зависит от разницы температур рабочего и свободных концов.
Отсюда практические следствия. Термометру сопротивления нужен измерительный ток от вторичного прибора, зато температура клеммной головки на результат не влияет. Сигнал термопары мал — от единиц до нескольких десятков микровольт на градус в зависимости от типа, у самой распространенной термопары K около 0,04 мВ/°C. Такой слабый сигнал чувствителен к наводкам, а вторичный прибор обязан компенсировать температуру свободных концов.
| Параметр | Термометр сопротивления (Pt100) | Термопара |
|---|---|---|
| Принцип | Сопротивление платины растет с температурой | Термо-ЭДС на спае разнородных металлов |
| Верхний предел | Классы допуска IEC 60751 нормированы до 600 °C | Около 1200 °C у типов K и N, до 1600–1700 °C у платинородиевых R, S, B |
| Допуск | Класс AA: ±(0,1 + 0,0017·|t|) °C | Тип K, класс 1: ±1,5 °C или ±0,004·|t|, берется большее значение |
| Долговременная стабильность | Высокая | Ниже; у неблагородных типов после работы выше 200 °C возможна неоднородность электродов |
| Конструкция | Чувствительный элемент крупнее, хуже переносит вибрацию | Спай можно сделать очень малым, кабельные исполнения гибкие и вибростойкие |
| Линия связи | Медный кабель, 3 или 4 жилы | Термоэлектродный или компенсационный провод того же типа |
Термометр сопротивления Pt100 — платиновый датчик с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0 °C и температурным коэффициентом α = 0,00385 °C⁻¹. Его характеристики задают межгосударственный ГОСТ 6651-2009 и международный IEC 60751. Стандарты делят датчики на четыре класса допуска, и допустимое отклонение растет вместе с измеряемой температурой. У каждого класса свой диапазон действия: для проволочных элементов AA нормирован от −50 до +250 °C, A — от −100 до +450 °C, B и C — до +600 °C, у пленочных диапазоны уже.
При 200 °C датчик класса B может ошибаться на ±1,3 °C, класса A — на ±0,55 °C. Если регламент требует держать температуру в коридоре ±1 °C, датчик класса B сам съест этот запас, и регулятор будет работать по неверным данным.
При замене старого датчика сверяют номинальную статическую характеристику (НСХ). Pt100, 100П и 50М — разные характеристики, и вторичный прибор, настроенный на одну из них, с другой покажет неверную температуру.
Первый довод — температура. В печах, топках, на выхлопе двигателей — везде, где температура выше 600 °C, — термометр сопротивления, как правило, не применяют. Термопары типов K (хромель — алюмель) и N (нихросил — нисил) из неблагородных металлов закрывают диапазон примерно до 1200 °C. Платинородиевые S, R и B применяют при 1300–1700 °C, где неблагородные электроды быстро деградируют, но стоят они заметно дороже.
Второй довод — механика и скорость. Масса спая мала, поэтому термопара быстрее реагирует на изменение температуры, а кабельное исполнение гнется по месту и лучше переносит вибрацию.
Слабое место термопары — линия связи. Удлинять ее обычным медным кабелем нельзя: свободные концы тогда окажутся в клеммной головке, а прибор компенсирует температуру собственных клемм, и разница температур головки и прибора уйдет в погрешность. Нужен термоэлектродный или компенсационный провод, соответствующий типу термопары, с соблюдением полярности.
Схема подключения термометра сопротивления определяет, войдет ли сопротивление проводов в результат. Медная линия добавляет свое сопротивление к сопротивлению датчика, а Pt100 меняется всего на 0,385 Ом на градус. Лишний 1 Ом линии при двухпроводной схеме завысит показания примерно на 2,6 °C.
Для классов A и AA IEC 60751 допускает только трех- или четырехпроводное подключение. Альтернатива при длинной линии — Pt1000: его сопротивление в 10 раз выше, и тот же 1 Ом линии дает в 10 раз меньшую ошибку.
Термогильза — защитная трубка, в которую вставляют измерительную вставку датчика. Она принимает на себя давление, поток и агрессивную среду. Главное эксплуатационное преимущество: датчик можно вынуть для поверки или замены, не сливая систему и не останавливая процесс.
Цена — тепловая инерция. Стенка гильзы и зазор вокруг вставки замедляют отклик, поэтому в быстрых контурах регулирования берут гильзу минимального диаметра, а зазор иногда заполняют теплопроводной пастой. Длинная гильза в быстром потоке может разрушиться от вибрации из-за срыва вихрей, поэтому длину погружения проверяют расчетом, например по американской методике ASME PTC 19.3 TW. В диапазоне, где подходят оба датчика, они монтируются в одинаковые гильзы, так что выбор «термометр сопротивления или термопара» на присоединение к трубопроводу не влияет.
Нормирующий преобразователь температуры переводит сопротивление или термо-ЭДС в унифицированный сигнал 4–20 мА, который принимает большинство контроллеров и регистраторов. Для термопары это особенно полезно: милливольтовый сигнал превращается в токовый прямо у точки измерения, компенсация свободных концов выполняется внутри преобразователя, а дальше до шкафа идет обычный медный кабель.
Преобразователь ставят в головку датчика или на DIN-рейку в шкафу. Если линия короткая, а вход контроллера напрямую принимает Pt100 или нужный тип термопары, без него можно обойтись.
Датчик, гильзу, преобразователь и вторичный прибор подбирают как один измерительный канал: НСХ, класс допуска и тип выходного сигнала должны совпадать на всех звеньях. Поэтому при подборе позиций в разделе «приборы КИПиА» эти параметры сверяют по паспорту каждого изделия.
Чтобы ответить на вопрос «термометр сопротивления или термопара» для своего процесса, достаточно пройти четыре проверки:
Частая ошибка монтажа — недостаточная глубина погружения. Если чувствительный элемент едва заходит в поток горячей среды, тепло уходит по корпусу и гильзе наружу, и датчик любого класса покажет температуру ниже фактической. Монтажную длину выбирают так, чтобы чувствительный элемент находился в зоне потока, а не у стенки трубопровода.
